Литейное производство

МИНИСТЕРСТВО ОБРА ЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

Кафедра технологии литейных процессов

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Под общей редакцией профессора В.Д. Белова

3-е издание, переработанное и дополненное

Допущено учебно-методическим объединением
по образованию в области металлургии в качестве учебника
для студентов высших учебных заведений, обучающихся
по направлению Металлургия

Москва  2015

УДК 
621.74

 
Л64

Р е ц е н з е н т ы :

д-р техн. наук, проф. В.А. Кечин (ФГБОУ ВПО «ВлГУ»);

д-р техн. наук, проф. А.Е. Сёмин

Авторы: 

В.Д. Белов – гл. 14 (совместно с А.Н. Коноваловым); М.В. Пикунов – 
гл. 1–3; гл. 4 (совестно с В.П. Соловьевым); Э.Б. Тен – гл. 9; гл. 12 
(совместно с С.В. Матвеевым); В.П. Соловьев – гл. 4 (совместно 
с М.В. Пикуновым); А.В. Колтыгин – гл. 7, 16; С.В. Матвеев – гл. 6; 
гл. 12 (совместно с Э.Б. Теном); С.А. Сироткин – гл. 8, 15; В.А. Горбунов – гл. 10; С.В. Лактионов – гл. 13; Т.А. Базлова – гл. 5; А.Н. Коновалов – гл. 14 (совместно с В.Д. Беловым); А.В. Фадеев – гл. 11

Литейное производство : учеб.  / В.Д. Белов [и др.] ; под общ.

Л64 ред. В.Д. Белова. – 3-е изд., перераб. и доп. – М. : Изд. Дом 

МИСиС, 2015. – 487 с.

ISBN 978-5-87623-892-4

Изложены основы теории литейных процессов, основы технологии изготов
ления отливок и особенности их производства из чугуна, стали и сплавов цветных 
металлов. Рассмотрено производство отливок различными способами.

Третье издание (2-е издание вышло в 1987 г.) дополнено сведениями о 

новых способах получения отливок и процессах структурообразования ряда 
литейных сплавов.

Предназначен для студентов, обучающихся по направлению 150400 «Ме
таллургия».

УДК 621.74

ISBN 978-5-87623-892-4

 


Коллектив авторов, 2015
НИТУ «МИСиС», 2015

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ....................................................................................................7
Глава 1. Основы приготовления металлических сплавов .....................9

1.1. Общие сведения о металлических сплавах .................................... 9
1.2. Выражение состава сплавов ...........................................................11
1.3. Физические свойства металлов и сплавов ................................... 12
1.4. Взаимодействие металлических расплавов с газами .................. 18
1.5. Взаимодействие металлических расплавов с огнеупорными 
материалами ............................................................................................ 23
1.6. Основы технологии плавки ............................................................ 26
Контрольные вопросы ........................................................................... 31

Глава 2. Металлические расплавы как жидкости. Заполнение 
литейных форм. Литниковые системы .................................................33

2.1. Неподвижный металлический расплав ........................................ 33
2.2. Текущий расплав. Заполнение литейной формы расплавом. 
Литниковые системы  ............................................................................ 35
Контрольные вопросы ........................................................................... 38

Глава 3. Кристаллизация металлов и сплавов ......................................39

3.1. Общие закономерности процесса кристаллизации вещества ..... 39
3.2. Кристаллизация сплавов твердых растворов............................... 40
3.3. Образование дендритов. Дендритная ликвация .......................... 45
3.4. Кристаллизация сплавов в системе с эвтектическим 
превращением ......................................................................................... 47
Контрольные вопросы ........................................................................... 51

Глава 4. Затвердевание и охлаждение отливок .....................................53

4.1. Общие сведения о процессе затвердевания литых заготовок .... 53
4.2. Затвердевание отливок из сплавов, не имеющих 
температурного интервала кристаллизации ....................................... 54
4.3. Затвердевание отливок из сплавов, обладающих 
температурным интервалом кристаллизации ..................................... 55
4.4. Количественные закономерности процесса затвердевания 
отливок .................................................................................................... 59
4.5. Структура отливок. Ликвация в отливках .................................... 63
4.6. Газы в отливках ............................................................................... 67
4.7. Объемная усадка в отливках. Усадочные раковины 
и поры в отливках  .................................................................................. 69

4.8. Линейная усадка сплавов и отливок ............................................. 71
4.9. Напряжения в отливках. Коробление отливок. 
Трещины в отливках .............................................................................. 73
4.10. О поверхности отливок ................................................................ 78
Контрольные вопросы ........................................................................... 79

Глава 5. Литейные свойства сплавов .....................................................81

5.1. Жидкотекучесть ............................................................................... 82
5.2. Усадка. Расчет и методы определения .......................................... 87
5.3. Горячеломкость ............................................................................... 93
Контрольные вопросы ........................................................................... 98

Глава 6. Модельное производство .........................................................99

6.1. Цели и задачи модельного производства ..................................... 99
6.2. Модельные комплекты и оснастка .............................................. 100
6.3. Модельная оснастка для различных типов литейного 
производства ......................................................................................... 102
6.4. Металлические модели и их конструктивные элементы ......... 104
6.5. Модельные плиты и крепление 
на них моделей ..................................................................................... 109
6.6. Современные способы изготовления модельной оснастки ......113
Контрольные вопросы ..........................................................................114

Глава 7. Формовочные материалы ....................................................... 116

7.1. Исходные формовочные материалы ............................................119
7.2. Формовочные и стержневые смеси, противопригарные 
покрытия ............................................................................................... 132
Контрольные вопросы ......................................................................... 152

Глава 8. Изготовление форм и стержней.............................................153

8.1. Ручная формовка ........................................................................... 153
8.2. Машинная формовка .................................................................... 158
8.3. Импульсное уплотнение смеси ................................................... 168
8.4. Пескодувный и пескострельный процессы уплотнения .......... 169
8.5. Особенности изготовления стержней ......................................... 177
8.6. Сушка, подсушка и химическое твердение форм и стержней ... 181
8.7. Сборка форм .................................................................................. 182
Контрольные вопросы ......................................................................... 184

Глава 9. Литниково-питающие системы .............................................185

9.1. Устройство литниково-питающей системы и назначение 
ее элементов .......................................................................................... 185

9.2. Классификация литниковых систем ........................................... 188
9.3. Расчет литниковых систем ........................................................... 191
9.4. Прибыли ......................................................................................... 196
Контрольные вопросы ......................................................................... 201

Глава 10. Заливка форм. Охлаждение, выбивка и очистка отливок ...202

10.1. Заливка форм ............................................................................... 202
10.2. Охлаждение отливок и выбивка их из форм ............................ 210
10.3. Обрубка, очистка и термическая обработка отливок .............. 214
10.4. Дефекты отливок и их исправление ......................................... 220
Контрольные вопросы ......................................................................... 225

Глава 11. Проектирование технологии изготовления отливок .........226

Контрольные вопросы ......................................................................... 232

Глава 12. Производство отливок из чугуна .........................................233

12.1. Формирование структуры отливок из чугуна .......................... 233
12.2. Литейные свойства чугуна ......................................................... 260
12.3. Плавка чугуна .............................................................................. 282
12.4. Отливки из чугуна и технологии их производства ................. 294
Контрольные вопросы ......................................................................... 307

Глава 13. Производство отливок из стали ...........................................308

13.1. Классификация стальных отливок ............................................ 310
13.2. Отливки из нелегированной углеродистой стали ................... 312
13.3. Отливки из легированной стали ................................................ 321
13.4. Отливки из хладостойкой стали ................................................ 336
13.5. Внепечная обработка стали ....................................................... 338
Контрольные вопросы ......................................................................... 355

Глава 14. Производство отливок из сплавов цветных металлов.......357

14.1. Производство отливок из алюминиевых сплавов ................... 357
14.2. Производство отливок из магниевых сплавов ......................... 365
14.3. Производство отливок из медных сплавов .............................. 371
14.4. Производство отливок из никелевых сплавов ......................... 376
14.5. Производство отливок из кобальтовых сплавов ...................... 379
14.6. Производство отливок из сплавов тугоплавких металлов ..... 380
14.7. Производство отливок из сплавов легкоплавких металлов ... 385
14.8. Производство отливок из сплавов благородных металлов .... 387
Контрольные вопросы ......................................................................... 389

Глава 15. Специальные способы литья ...............................................390

15.1. Литье в оболочковые формы ..................................................... 391

15.2. Литье по выплавляемым моделям ............................................ 399
15.3. Литье по газифицируемым моделям......................................... 408
15.4. Литье в кокиль ............................................................................. 412
15.5. Литье под регулируемым газовым давлением ......................... 420
15.6. Литье под давлением .................................................................. 429
15.7. Центробежное литье ................................................................... 443
15.8. Непрерывное и полунепрерывное литье .................................. 449
15.9. Электрошлаковое литье .............................................................. 455
15.10. Литье с кристаллизацией под давлением ............................... 457
15.11. Литье выжиманием ................................................................... 461
Контрольные вопросы ......................................................................... 464

Глава 16. Цифровые технологии в литейном производстве ..............465

16.1. САПР в литейном производстве ................................................ 467
16.2. Системы компьютерного моделирования 
литейных процессов ............................................................................ 468
16.3. Моделирование фазовых диаграмм состояния ........................ 473
16.4. Использование технологий быстрого прототипирования 
в литейном производстве .................................................................... 475
16.5. САМ технологии в литейном производстве ............................ 479
16.6. Компьютерные измерительные системы ................................. 480
Контрольные вопросы ......................................................................... 483

Библиографический список .................................................................484

ВВЕДЕНИЕ

Учебник «Литейное производство», написанный авторским кол
лективом кафедры «Технология литейных процессов» Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», 
переиздается в третий раз: первое издание – 1971 г., второе – 1987 г.

Необходимость в переиздании учебника в первую очередь продик
тована большими изменениями, которые произошли и происходят в 
литейной отрасли России, функционирование которой еще в конце 
XX в. было ориентировано преимущественно на российские технологии, материалы и оборудование. В настоящее время литейная отрасль практически полностью ориентирована на импорт. Сложившаяся ситуация вносит много минусов в ее развитие непосредственно 
в нашей стране, однако при этом есть и некоторые плюсы. В частности, как и во всех промышленно развитых странах мира, в России 
стали интенсивно развиваться цифровые технологии, базирующиеся 
на 3D-моделях литых деталей и на процессах моделирования структуры и свойств сплавов, заполнения расплавами литейных форм, затвердевания в них отливок, изготовления форм и литейной оснастки 
методами трехмерной печати и на станках с числовым программным 
управлением (ЧПУ).

Металлические изделия во всех областях их применения изготав
ливают самыми разнообразными способами, количество которых постоянно увеличивается. Однако такие способы, как пластическая деформация, резание, сварка, спекание из порошков и литье являются 
основными. При этом литейная технология, позволяющая получать 
изделия необходимых конфигураций, размеров и с высокими служебными свойствами при минимальных затратах энергии, материалов и 
труда непосредственно из расплава, остается наиболее эффективной.

Теория и практика литейного производства на современном этапе 

позволяют получать отливки массой от нескольких граммов до сотен 
тонн, с габаритными размерами от нескольких миллиметров до десятков метров, в том числе сложнофасонные тонкостенные литые детали 
высокого качества, повышенной точности их размеров и повышенным уровнем эксплуатационных характеристик. При этом следует 
отметить, что на всех этапах литейного производства предпочтительную реализацию находят наукоемкие технологии.

Основная тенденция развития литейной отрасли в настоящее вре
мя базируется на ускоренной подготовке производства отливок, которая строится на сквозном цифровом технологическом процессе. Это 
позволяет не только максимально задействовать инновационные литейные технологии и в некоторых случаях сократить до нескольких 
суток (1–3 дня) длительность изготовления первой, «пилотной», отливки, но и существенно уменьшить финансовые затраты на запуск в 
серийное производство новой номенклатуры деталей.

Материал, изложенный в учебнике, будет полезен всем студента
ми, аспирантам и специалистам как изучающим литейное производство, так и работающим в нем.

Авторы выражают признательность инженерам Н.А. Названовой, 

С.С. Асеевой и Е.А. Герасименко за оказанную помощь в подготовке 
рукописи к изданию.

Глава 1. ОСНОВЫ ПРИГОТОВЛЕНИЯ 

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ

1.1. Общие сведения о металлических сплавах

Металлические сплавы представляют собою особый класс ве
ществ. Они состоят из нескольких компонентов – металлов и неметаллов. В сплаве различают основу и легирующие добавки. Основой 
считается компонент, имеющий наибольшее содержание в сплаве. 
Остальные компоненты являются легирующими добавками. Основа 
сплава определяет его название. Так, различают алюминиевые, медные, цинковые и другие сплавы. Сплавы на основе железа с любыми 
металлами, а также с кремнием и углеродом, если содержание углерода не превышает 2 %, называют сталями. При большем содержании 
углерода сплав называется чугуном. Многие сплавы на основе других 
металлов имеют исторически сложившиеся названия: томпак, бронза, 
латунь, мельхиор, нейзильбер, нимоник, силумин, дуралюмин и т.д.

Металлические сплавы в твердом состоянии могут представлять 

собой один общий твердый раствор всех компонентов, смесь нескольких твердых растворов компонентов с разной кристаллической 
структурой, смесь твердых растворов и промежуточных фаз, образованных компонентами. Эти промежуточные фазы обычно обозначаются простыми химическими формулами: Fe3C, CuAl2, Mg2Zn. Однако необходимо иметь в виду, что молекулы, соответствующие этим 
формулам, реально не существуют. Правомерность использования 
указанных формул основана на том, что в кристаллической решетке 
промежуточных фаз количественное соотношение числа атомов химических элементов соответствует этим формулам. Кроме того, на 
основе многих промежуточных фаз образуются твердые растворы с 
бόльшим или меньшим содержанием компонентов, чем определяется 
формулой; в этих фазах могут также растворяться другие компоненты 
сплава. Поэтому действительный состав подобных фаз нередко не соответствует формуле.

Кроме основы и легирующих компонентов в сплавах всегда при
сутствуют примеси, которые могут быть в растворенном состоянии 
или же находиться в виде нерастворенных взвешенных частиц самостоятельных фаз.

Жидкие металлические сплавы принято называть расплавами. Ме
таллические расплавы представляют собой «мутные» жидкости, они 
содержат очень большое число взвешенных частиц (103…106 см–3) оксидов, сульфидов, карбидов и других соединений размером от долей 
миллиметра до коллоидных (менее 1 мкм). Как правило, подобные 
частицы являются упомянутыми примесями. 

Различают черные и цветные сплавы. Сплавы на основе железа (ста
ли и чугуны) называют черными. Сплавы на основе всех других металлов называют цветными. Выделяют также драгоценные и ювелирные 
сплавы. Таковыми считаются те, в которых основой или легирующими 
компонентами являются золото, серебро, платина, палладий.

Металлические сплавы, используемые в народном хозяйстве, мож
но подразделить на две группы: деформируемые и литейные. Деформируемые сплавы предназначены для получения деформированных 
полуфабрикатов – поковок, штамповок, различных видов проката: 
рельсов, профилей (уголков, швеллеров, двутавров), листов, фольги, 
прутков, проволоки. Из деформируемых сплавов вначале получают 
слитки – литые заготовки простой формы – цилиндры, параллелепипеды, которые затем деформируют различными способами обработки 
давлением. Из литейных сплавов получают фасонные отливки, которые после механической обработки используют как детали машин и 
элементы конструкций. Четкого разделения сплавов на деформируемые и литейные не существует, но, как правило, деформируемые 
сплавы содержат меньше примесей. Имеется ряд марок сталей, латуней, бронз, которые используют как для получения деформированных 
полуфабрикатов, так и для производства фасонных отливок. Чугуны 
являются чисто литейными сплавами, из них изготавливают только 
фасонные отливки. 

Литейное производство как разновидность технологии обработки 

металлов включает в себя производство фасонных отливок из чугунов, сталей, сплавов цветных металлов, а также слитков из сплавов 
цветных металлов. Производство слитков из сталей входит в состав 
металлургического сталеплавильного производства.

Кроме рабочих сплавов, идущих непосредственно на получение 

фасонных отливок или слитков, в литейном производстве и в металлургии широко используют так называемые лигатуры. Лигатурой называют сплав, применяемый только для получения рабочих сплавов.